一种在线式聚合物双毛细管挤出流变仪

摘要

本发明属于聚合物流变学测试技术领域，涉及一种在线式聚合物双毛细管挤出流变仪。其特征是该流变仪由连接管、底座、调节螺栓、压力/温度传感器、温度控制装置、天平、挤出胀大测量装置、口模板、毛细管、垫板组成。使用双毛细管表征聚合物熔体挤出过程的壁滑移速度；使用单毛细管表征聚合物稳态挤出的流变特征；压力/温度传感器用于实时的测量聚合物熔体的入口压力降和温度，挤出胀大测量装置用于测量聚合物熔体的挤出胀大量。本发明通过在线式测量熔体流经毛细管的压力降、挤出胀大量、流量和熔体温度等参数，并且进行贝格里和雷比诺维茨修正，测量聚合物及其复合材料在毛细管中挤出过程中的壁滑移速度和稳态流变学特征及行为。

说明书

技术领域

本发明属于聚合物流变学测试技术领域，特别涉及到一种表征聚合物挤出壁滑移速度和稳态流变行为的在线式毛细管挤出流变仪。

背景技术

测量聚合物流变性能的流变仪，是材料研究和塑料加工必备的实验仪器。目前，常用的是离线式流变测量，其中毛细管流变仪应用最为广泛。但是使用离线式毛细管流变仪进行聚合物流变性能测量时，由于其脱离实际加工条件测量的流变学参数，对实际的聚合物加工过程的指导作用有限。为了从测得压差中准确的求出完全发展区上的压力梯度，需要进行贝格里校正。在表观流动实验曲线绘制时，粘度依赖于剪切速率的关系被忽略，需要进行雷比诺维茨校正。对于填料体系的聚合物而言，塑料熔体在毛细管壁处会发生滑移现象，需要进行校正。目前的毛细管流变仪不进行贝格里和雷比诺维茨校正，不考虑壁滑移速度，测量结果与实际加工过程具有一定差距。传统的流变仪无法验证和测量聚合物壁滑移速度，这个参数对于塑料熔体挤出流动分析的数值模拟具有重要的影响。目前数值模拟时，常将壁滑移速度设为零，这一边界条件的假设直接影响了流动分析的准确性。

挤出模具是塑料熔体整个挤出过程的关键设备，其与挤出机参数、材料特性、工艺条件具有一定的依赖性和适应性。目前挤出模具设计时，由于考虑挤出机、材料和工艺等方面不多，即使有所考虑，但是由于新设计的模具安装到新的工作条件下(不同的挤出机参数、材料性能和工艺参数)，使得挤出产品达不到质量要求。这样就需要不断的调整工艺参数和修模，耗时耗力。据统计修模、试模以及工艺参数调整的时间占挤出模具整个设计制造周期的30％～40％，这样造成了模具成本大幅增加，影响到了挤出模具的进一步发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在线式聚合物双毛细管挤出流变仪，用于直接测量聚合物熔体挤出壁滑移速度和稳态流变行为，测量的结果可以直接指导聚合物的加工过程。

本发明的技术方案是一种在线式聚合物毛细管挤出流变仪，主要由连接管、底座、调节螺栓、压力/温度传感器、温度控制装置、天平、挤出胀大测量装置、口模板、毛细管、垫板组成。该流变仪采用组合镶块式结构，底座、垫板和口模板之间采用阶梯式的密封结构。该流变仪通过连接管不仅可以安装在挤出机和挤出模头之间的法兰盘，而且也可以安装在挤出机或挤出模头上。熔融的聚合物熔体在压力的作用下通过连接管进入底座和垫板形成的内部型腔，然后进入装配在口模板上的毛细管，最后从毛细管口挤出。安装在底座上的调节螺栓调节聚合物熔体的压力和流量；安装在口模板的毛细管可以根据测量需要更换，并且可以进行单/双毛细管的转换；安装在毛细管入口处的熔体压力传感器同时还具有测量温度的功能，是一个压力/温度集成型传感器，具有计算机通讯接口，用于测量聚合物熔体在挤出过程中的压力和温度；温度控制装置安装在口模板上，控制在聚合物熔体在挤出过程中保持恒定的温度；挤出胀大测量装置安装在毛细管的出口处，测量聚合物挤出的胀大比；毛细管末端的天平测量聚合物挤出过程的流量。该流变仪还包括计算机，可以对同一时刻采集塑料熔体的温度和毛细管入口的压力降进行数据处理和计算，获得聚合物挤出的壁滑移速度和稳态流变特征参数。

根据聚合物熔体测量的需要更换不同的毛细管。根据Mooney理论，采用直径不同、长径比相同的双毛细管，验证聚合物熔体挤出壁滑移现象是否存在，并且测量聚合物挤出壁滑移速度的大小。

使用单个毛细管，采用更换直径相同、长径比不同的一组毛细管的方式进行贝格里校正。使用单个毛细管可以在线式测量和表征聚合物及其复合材料的常规毛细管挤出流变特征及行为，建立在不同工艺条件下，不同挤出材料流变性能的数据库。

根据聚合物熔体测量的需要通过调节螺栓来调节毛细管入口的压力，从而使聚合物熔体挤出过程的剪切速率控制在合适的范围内。

本发明的效果和益处是：采用在线式测量的方式，并且可以进行贝格里和雷比诺维茨校正，更加准确地实时测量聚合物稳态挤出流变特征，替代了脱离生产的实验室中的离线式流变测量，所测得的数据更能准确的用于评价聚合物熔体的加工特性，从而用来指导聚合物熔体加工工艺参数的调整和模具的设计；通过使用本发明建立在不同工艺条件下，不同挤出材料的流变性能的数据库，解决挤出模具对挤出机、材料和工艺这三者的依赖性问题；对于填料体系的聚合物而言，塑料熔体在毛细管壁处会发生滑移现象，本发明采用双毛细管挤出时，可以测量聚合物挤出的壁滑移速度，解决挤出模头内塑料熔体流动有限元分析时边界条件的设置问题，促进挤出模CAE技术的进一步发展。

附图说明

图1是在线式聚合物双毛细管挤出流变仪的结构示意图。

图中：1连接管；2底座；3调节螺栓；4压力/温度传感器；5温度控制装置；6天平；7挤出胀大测量装置；8口模板；9毛细管；10垫板。

图2是本发明流变仪的工作原理框图。

图中：Q体积流量；ΔP压力降；L/D长径比；η粘度；剪切速率；τ剪切应力；u_s壁滑移速度。

具体实施方式

以下结果技术方案和附图详细叙述本发明的最佳实施例。

测量聚合物材料PVC在200℃温度时稳态挤出流变学特征和壁滑移速度，

实施例步骤如下：

步骤1.先用塞块堵住一个毛细管使用单毛细管，将流变仪安装在挤出机和挤出模头之间的法兰盘上，调节温度控制装置将温度控制在测量所需的温度范围内；

步骤2.启动挤出机，按照测量需要设置挤出工艺参数，进行PVC挤出流变测量；

步骤3.通过调节螺栓的调节作用，分别采用相同直径、不同长径比的一组毛细管，测量在相同的体积流量下的压力降，然后进行贝格里校正；

步骤4.通过计算机对采集的数据进行处理和计算，并且进行雷比诺维茨校正，获得PVC熔体的稳态挤出流变学特征参数；

步骤5.取出塞块使用不同直径、相同长径比的双毛细管，测量不同压力条件下毛细管的体积流量；

步骤6.通过计算机对采集的数据进行处理和计算，获得PVC熔体在不同压力条件下的壁滑移速度。